质谱法(MS)是一种分析技术,用于以高特异性来描述样品的成分。样品被电离,导至成分分子带电和碎片化,然后,这些离子通过电场或磁场被加速,根据它们的质荷比进行分离,产生质谱。这种技术的威力在于它的速度、高通量、特异性以及识别、定量和描述未知分子的能力[1]。 历史上,MS仅限于小分子。然而,由于最近该技术的扩展,现在可以研究无数的生物样本。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)的发明就是这样一个进步[2]。 传统的电离方法使用苛刻的热汽化技术,使其与大的生物分子的特征不相容,而MALDI-TOF解决了这个问题,在使用紫外线激光电离和解吸样品之前,将样品嵌入一个小型有机化合物基质中[2]。 另一种是增加一个液相色谱(LC)步骤,在对样品进行电喷雾电离和MS分析之前对其进行物理分离。 质谱技术的这些进步促使质谱在生物实验室中的潜在应用激增--从微生物的鉴定到蛋白质组学研究,再到个性化医疗等等。 由于质谱仪的多功能性、特异性、高通量以及检测和量化未知成分和高度复杂样品的能力,质谱仪正迅速成为下一代现代药物的基本技术和临床实验室的一个组成部分,我们将讨论MS在临床上的几个新应用: 1 // 微生物的快速鉴定 筛选微生物感染是临床实验室的一个必要条件。虽然长期以来的金标准是细胞培养,但这种方法存在等待结果的时间长和敏感性差的问题,可能导至假阴性[2],例如,血培养可能只在10-15%的严重肺炎患者中显示阳性结果[2]。 MALDI-TOF MS代表了一种可行的替代方法,它可以分析细菌菌落,在几分钟内,而不是几天内促进属或种水平的鉴定[2]。 最近,MALDI-TOF技术已被扩展到检测细菌样本中的抗菌素耐药性,例如耐万古霉素的肠球菌和耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌[2]。为了应对COVID-19大流行,正在开发通过MALDI-TOF检测与冠状病毒有关的生物特征的新方法。 2 // 治疗性抗体的监测 单克隆抗体(mAbs)是一类相对较新的治疗方法,用于治疗一系列的疾病,包括自身免疫性疾病和癌症。[3] 随着抗体治疗方法在临床上的广泛使用,准确监测也面临新的挑战。 其中一个挑战是难以区分抗体药物和患者体内的内源性单克隆蛋白,如白细胞介素-6[3]。这可能会对用于监测患者的生物标志物小组造成干扰,降低其准确性。这需要有新的检测方法来监测病人体内的这些生物药物。 目前,酶联免疫吸附试验(ELISAs)是临床实验室监测病人体内mAbs的最常用方法。然而,它们的在操作上依赖手工和错误结果的倾向是严重的缺点,而LC-MS和LC-MS/MS代表了一种高度敏感和精确的替代方法,同时具有高通量和非常小的样品量[3]。 虽然基于MS的监测治疗性抗体的检测方法尚未被广泛使用,但专家预测,随着抗体技术的不断发展,MS将成为首选技术。 3 // 健康和疾病组织的蛋白质组学 蛋白质组学是研究生物体、组织或细胞中的全部蛋白质以及它们在不同条件下的变化。组织的功能最终取决于其蛋白质的表达、调节和改变,因此蛋白质组学数据为了解组织的健康状况创造了一个非常有价值的窗口。 利用这些数据,已经可以确定新的生物标志物来非侵入性地诊断疾病,例如,C反应蛋白和肌钙蛋白I作为心肌梗塞的生物标志物。 然而,生物样本的复杂性和其中许多生物标志物的低浓度考验着大多数分析技术的极限。最近MS技术的发展,如自动平行样品处理和多维分离步骤,提高了吞吐量和灵敏度,使其成为蛋白质组学研究中越来越有吸引力的候选方法。 此外,几乎所有的生物样本都可以用质谱来研究,这意味着在每一个全息层面上,从基因组到脂质组,同时表征生物分子是可行的。在这方面,MS是唯一能够提供关于健康和疾病中组织内部运作的系统级数据的技术之一。 4 // 个性化的肿瘤治疗 全能医学数据提供了对疾病前所未有的洞察力,因此,人们对利用这些数据来改善医疗效果的兴趣越来越大,这一点并不令人惊讶。 个性化医疗是一种新的模式,其核心是根据每个病人的个体特征定制医疗方法,通常由基因组分析决定。这一领域的早期工作主要集中在肿瘤学上,即对因特定基因组异常而导至癌症的患者进行靶向治疗,攻击其恶性肿瘤背后的分子机制。 例如,在一组肿瘤为HER2阳性(HER2+)的乳腺癌患者中,可能存在一系列的HER2蛋白表达谱,它们对抗HER2疗法的反应不同[5]。使用MS定量分析HER2蛋白表达水平的方法正在开发中,用于临床,将使临床医生不仅根据基因特征,而且根据特定的蛋白表达水平来确定抗HER2疗法。 5 // POCT检测 MS的多功能性和准确性使其成为POCT检测应用的一个有趣的技术,在患者护理的时间和地点进行诊断测试,有利于快速决策和简化医疗服务。 然而,在其全尺寸的情况下,某些实际方面限制了这种应用的可行性,包括仪器的成本、尺寸和复杂性。由于这些原因,质谱仪的简化、微型化版本已经引起了许多科学家的兴趣。 事实上,台式质谱仪的原型已经被建造和测试。这类设备旨在用于生物学家的工作台、医生的办公室甚至救护车内,最终允许将血液、尿液或组织样本转换为现场的临床诊断[6]。 迄今为止,这些机器仍处于原型开发阶段,但可能代表了实现质谱在临床中全部潜力的最后一块拼图。 诊断科学编辑团队收集、整理和编撰,如需更多资讯,请关注公众号诊断科学(DiagnosticsScience)。 参考文献 [1] A.W.S Fung, et al. J Clin Pathol. 73, 61–69. (2020) [2] K.B. Laupland, L. Valiquette. Can J Infect Dis Med Microbiol. 24, 125–128. (2013) [3] P.M. Ladwig, et al. Clin Vaccine Immunol. 24, e00545-16. (2017) [4] M.F. Rocca, et al. bioRxiv. (2020) [Preprint] [5] J. Murphy, et al. Regul Toxicol Pharmacol. 90, 342–357. (2017) [6] L. Li, et al. Anal Chem. 86, 2909–2916. (2014) |